JP3931771B2 - 燃料電池システムの制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムの制御装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
以下に従来の燃料電池システムについて説明する。
【0003】
図4に示すように、従来この種の燃料電池システムの制御装置は、天然ガスやメタノールなどの原料燃料と水蒸気改質反応に必要な原料水から水素に富んだガスを生成する水素生成器1と、酸化剤ガスとしての空気を供給するためのブロアファンで構成される送風器2と、供給空気を加湿する空気加湿器3と、水素生成器1で得られた生成ガスと送風器2からの酸化剤ガスとを反応させて発電する燃料電池4と、燃料電池4にて発電された直流電力を交流200Vに変換するインバータ5と、燃料電池4からの熱を回収し給湯する貯湯タンク6と、起動から発電までの一連の動作を制御する制御器7と、電力負荷での負荷電力を測定する負荷電力検知手段8で構成されている。前記負荷電力検知手段8で検知する負荷電力値とは、毎秒計測する瞬時負荷電力値を60分間積算し、その平均値を負荷電力値としている。すなわち一分間の負荷電力値である。ここで従来の燃料電池システムの運転開始条件として、負荷電力が最大発電電力の30%以上になってもすぐに運転開始しないで、負荷電力が最大発電電力の30%以上になるのが30分間中の80%以上になってから運転開始していた。また運転停止条件として、負荷電力が最大発電電力の30%以下になってもすぐに運転停止しないで、負荷電力が最大発電電力の1/8以下になるのが1時間中の80%以上になってから運転を停止していた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記の従来の構成では、燃料電池システムを運転する時間帯や、個々の設置場所および設置場所での季節の変化等により負荷電力消費パターンが異なり、一律の制御では燃料電池の運転開始停止回数が増加し、燃料電池システムの耐久性に悪影響を及ぼす問題を有していた。
【0005】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池システムを運転する時間帯や、個々の設置場所および設置場所での季節の変化等に応じて負荷電力消費パターンが異なっても、燃料電池の運転開始停止回数が増加せず、さらに削減することを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、燃料電池システムを運転する時間帯や、個々の設置場所および設置場所での季節の変化等に応じて負荷電力消費パターンが異なっても、燃料電池の運転開始停止回数が増加せず、さらに削減するものである。
【0007】
これにより燃料電池システムの耐久性に悪影響を及ぼすことを防止し、発電動作を行う前の燃料電池システムの予熱等の運転開始停止の繰り返しによるエネルギーのむだを削減することができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、炭化水素系原料燃料と水から水素に富んだガスを生成する水素生成器と、前記水素生成器で得られた生成ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、運転開始・停止および運転開始から発電までの一連の動作を制御する制御器と、運転開始・停止する間隔および回数を計測する運転開始停止頻度検知手段と、負荷電力を検知する負荷電力検知手段を備え、前記負荷電力検知手段により負荷電力が、一定電力値以上となるのが一定時間以上になった場合に前記制御器により運転を開始する条件とし、一定電力値以下となるのが一定時間以上になった場合に前記制御器により運転を停止する条件において、前記運転開始停止頻度検知手段の検知頻度により、前記条件中の一定電力値を自由に変えて運転開始・停止制御を行う構成としたものであり、運転開始する条件中の「最大発電電力の30%」の値および運転停止する条件中の「最大発電電力の1/8」の値を、例えば10W単位で自由に変えることにより、運転開始停止回数を増加させず削減することができ、燃料電池システムの耐久性への悪影響防止および発電動作を行う前の運転開始停止の繰り返しによる燃料電池システムの予熱等のエネルギーのむだを削減することができる。
【0009】
請求項2に記載の発明は、前記制御器は、前記運転開始停止頻度検知手段の検知頻度により、前記条件中の一定時間値を自由に変えて運転開始・停止制御を行う構成としたものであり、運転開始する条件中の「30分中の80%」の「80%」の値および運転停止する条件中の「1時間中の80%」の「80%」の値を、例えば1分単位で自由に変えることにより、運転開始停止回数を増加させず削減することができ、燃料電池システムの耐久性への悪影響防止および発電動作を行う前の運転開始停止の繰り返しによる燃料電池システムの予熱等のエネルギーのむだを削減することができる。
【0010】
請求項3に記載の発明は、前記制御器は、運転する時間帯により、前記条件中の一定値を自由に変えて運転開始・停止制御を行う構成としたものであり、運転する時間帯、例えば昼間と夜間、さらに夜間でも午後7時から12時と午後12時から翌朝5時の時間帯により区別して、一定電力値および一定時間値を変えることにより、運転開始停止回数を増加させず削減することができ、燃料電池システムの耐久性への悪影響防止および発電動作を行う前の運転開始停止の繰り返しによる燃料電池システムの予熱等のエネルギーのむだを削減することができる。
【0011】
請求項4に記載の発明は、運転の開始停止データを記憶する記憶手段を設け、前記制御器は、燃料電池システム設置後の最初の運転開始から一定期間の運転開始停止データを前記記憶手段に記憶し、そのデータに基づいて設置場所特有の電力消費パターンに応じて、前記条件中の一定電力値・一定時間値を自由に変えて運転開始・停止制御を行う構成としたものであり、個々の設置場所にて特有の電力消費パターンがあり、例えば、単身・妻帯者・子供の人数など家族の人数構成、年齢構成、性別、あるいは都会・地方の区別、寒冷地・温暖地の区別等の様々な要因により、電力消費パターンが異なるので、それぞれのパターンに合わせた一定電力値および一定時間値に変えることにより、運転開始停止回数を増加させず削減することができ、燃料電池システムの耐久性への悪影響防止および発電動作を行う前の運転開始停止の繰り返しによる燃料電池システムの予熱等のエネルギーのむだを削減することができる。
【0012】
請求項5に記載の発明は、運転の開始停止データを記憶する記憶手段を設け、前記制御器は、1年間毎の運転開始停止データを前記記憶手段に記憶し、そのデータに基づいてその設置場所での季節の変化に応じて、前記条件中の一定電力値・一定時間値を自由に変えて運転開始・停止制御を行う構成としたものであり、個々の燃料電池システムの設置場所での1年のうちの春夏秋冬の季節の変化により、電力消費パターンが異なるので、それぞれのパターンに合わせた一定電力値および一定時間値に変えることにより、運転開始停止回数を増加させず削減することができ、燃料電池システムの耐久性への悪影響防止および発電動作を行う前の運転開始停止の繰り返しによる燃料電池システムの予熱等のエネルギーのむだを削減することができる。
【0013】
請求項6に記載の発明は、電話回線等の通信手段を設け、前記制御器は、前記通信手段により、運転開始停止データを通信してホストコンピュータにデータを蓄積させ集中管理し、各燃料電池システムに反映させることにより、前記条件中の一定電力値・一定時間値を自由に変えて運転開始・停止制御を行う構成としたものであり、例えばガス会社のホストコンピュータに運転開始停止データを蓄積して、種々のパターンデータを解析することにより、一元的に最適な一定電力値および一定時間値に変えることにより、運転開始停止回数を増加させず削減することができ、燃料電池システムの耐久性への悪影響防止および発電動作を行う前の運転開始停止の繰り返しによる燃料電池システムの予熱等のエネルギーのむだを削減することができる。
【0014】
請求項7に記載の発明は、1日のうちで総運転開始停止回数に上限を設け、上限を超えて運転開始停止した場合、前記制御器は、一定期間は運転開始しないようにする構成としたものであり、1日の総運転開始停止回数の上限を超えて運転開始停止した場合に、何らかの異常が発生したと考え、燃料電池システムの運転を停止し、一時的なエネルギーのむだを削減することができる。
【0015】
請求項8に記載の発明は、1日のうちで総運転開始停止回数に上限を設け、上限を超えて運転開始停止した場合、前記制御器は、異常報知する構成としたものであり、異常報知することにより、使用者に燃料電池システムの停止・異常を報知するとともに、電力負荷系統の点検、すなわち電化製品の異常や配電設備の異常を点検するよう使用者に知らせることができる。
【0016】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図において、図4で示した従来の燃料電池システムの制御装置と同じ機能を有するものについては同一符号を付与しており、これらの機能の詳細は従来の技術の説明に順ずるものとする。
【0017】
(実施例1)
図1は本発明の実施例1の燃料電池システムの制御装置の構成図である。運転開始停止頻度検知手段9は、前記制御器7による制御で運転開始から停止、停止から開始の間隔や回数をカウントし、運転開始停止制御する構成としており、前記運転開始停止頻度検知手段9により、運転開始から停止、停止から開始する間隔が短くなったり、運転開始・停止の回数が増加傾向にある場合、前記制御器7は運転開始時には、負荷電力が例えば「最大発電電力の30%以上」の「30%」を「1%」増加させる。つまり最大発電電力が1000Wの場合、負荷電力が「300W以上」を「310W以上」という条件に変える。また運転停止時には、負荷電力が例えば「最大発電電力の1/8以下」の「1/8(12.5%)」を「0.5%」減少させる。つまり最大発電電力が1000Wの場合、負荷電力が「125W以下」を「120W以下」という条件に変える。但し増減する値は自由に設定できるものとする。つまり、運転開始あるいは停止する条件を運転開始停止頻度によって電力条件値を増減させて運転開始から停止、停止から開始する間隔を広くすることにより、運転開始停止回数を増加させず削減することができる。燃料電池の特性として連続運転よりもオンオフ運転の方が耐久性が悪くなる。よって燃料電池システムの耐久性への悪影響を防止でき、また発電動作を行う前の運転開始停止の繰り返しによる燃料電池システムの水素生成器やスタック等の予熱のためのエネルギーのむだを削減することができる。
【0018】
また図1に示すように運転開始停止頻度検知手段9は、前記制御器7による制御で運転開始から停止、停止から開始の間隔や回数をカウントし、運転開始停止制御する構成としており、前記運転開始停止頻度検知手段9により、運転開始から停止、停止から開始する間隔が短くなったり、運転開始・停止の回数が増加傾向にある場合、前記制御器7は運転開始時には、ある条件の電力以上になるのが例えば「30分間中の80%以上」になってから運転を開始するという「24分以上」を「1分」増加させる。つまりある条件の電力以上になるのが「30分間中の25分以上」になってから運転を開始するというという条件に変える。また運転停止時には、ある条件の電力以下になるのが例えば「1時間中の80%以上」になってから運転を停止するという「48分以上」を「1分」増加させる。つまりある条件の電力以下になるのが「1時間中の49分以上」になってから運転を停止するという条件に変える。但し増加する値は自由に設定できるものとする。つまり、運転開始あるいは停止する際の条件を運転開始停止頻度によって時間条件値を増加させて運転開始から停止、停止から開始する間隔を広くすることにより、運転開始停止回数を増加させず削減することができ、燃料電池システムの耐久性への悪影響防止および発電動作を行う前の運転開始停止の繰り返しによる燃料電池システムの予熱等のエネルギーのむだを削減することができる。
【0019】
また前記制御器7は、運転する時間帯により運転開始・停止制御する構成としている。運転する時間帯例えば夜間では、前記負荷電力検知手段8による負荷電力が昼間より比較的大きい。特に夜の午後7時から12時帯では空調や照明およびテレビなどの電化製品で消費する電力が多くなる。また負荷のオンオフの回数増加による負荷電力の変動も大きくなり、燃料電池システムの運転開始停止する頻度も増加傾向になる。このため夜間の午後7時から12時帯では特に運転時間を長くするような条件設定にする必要がある。つまり運転開始時には、負荷電力が例えば「最大発電電力の30%以上」の「30%」を「10%」減少させる。つまり最大発電電力が1000Wの場合、負荷電力が「300W以上」を「200W以上」という条件に変える。また一定時間値を例えば「30分間中の80%以上」の「24分以上」を「3分」減少させる。つまり「30分間中の21分以上」になってから運転を開始するという条件に変える。また運転停止時には、負荷電力が例えば「最大発電電力の1/8以下」の「1/8(12.5%)」を「2.5%」減少させる。つまり最大発電電力が1000Wの場合、負荷電力が「125W以下」を「100W以下」という条件に変える。また一定時間値を例えば「1時間中の80%以上」を「3分」増加させ、「1時間中の51分以上」になってから運転を停止するという条件に変える。但しここでの増減する電力値および時間値は自由に設定できるものとする。同様に夜間の午後12時から翌朝の5時では、消費電力が極端に少なくなり、同時に負荷のオンオフ回数も減少するので、同様の方法で運転停止する時間を長くするよう条件設定するようにする。このように運転開始あるいは停止する際の条件を、運転する時間帯によって、負荷電力値および時間値を増減させて運転開始停止制御を行うことにより、運転開始停止回数を増加させず削減することができ、燃料電池システムの耐久性への悪影響防止および発電動作を行う前の運転開始停止の繰り返しによる燃料電池システムの予熱等のエネルギーのむだを削減することができる。
【0020】
また図2において記憶手段10は燃料電池システムの運転の開始停止データを記憶し、そのデータに基づいて設置場所特有の電力消費パターンに応じて、運転開始・停止制御を行う構成としている。前記記憶手段10において燃料電池システム設置後の最初の運転開始から一定期間の運転開始停止データ、例えば1日毎の運転開始時刻や停止時刻を一定期間にわたりデータとして記憶している。ここで燃料電池システムの個々の設置場所にて種々の電力消費パターンが考えられる。例えば、単身者・妻帯者・子供の人数などの家族の人数構成、年齢構成、性別、あるいは都会・地方の区別、寒冷地・温暖地の区別等の様々な要因により、電力消費パターンが異なり、負荷のオンオフの回数増加による負荷電力の変動も大きくなる。ここで燃料電池システムを設置後、一定期間の運転開始停止データを記憶手段10にて記憶し、電力消費が大きい場合、すなわち家族の人数構成が多い場合や若い年齢層の場合に冷暖房などの空調、照明や種々の電化製品に電力消費が多い場合などでは、燃料電池システムの運転時間を長くするような条件設定とする。つまり運転開始時には、負荷電力が「最大発電電力の30%以上」の「30%」を「10%」減少させる。つまり最大発電電力が1000Wの場合、負荷電力が「300W以上」を「200W以上」という条件に変える。また一定時間値を「30分間中の80%以上」の「24分以上」を「3分」減少させる。つまり「30分間中の21分以上」になってから運転を開始するという条件に変える。また運転停止時には、負荷電力が例えば「最大発電電力の1/8以下」の「1/8(12.5%)」を「2.5%」減少させる。つまり最大発電電力が1000Wの場合、負荷電力が「125W以下」を「100W以下」という条件に変える。また一定時間値を例えば「1時間中の80%以上」を「3分」増加させ、「1時間中の51分以上」になってから運転を停止するという条件に変える。但しここでの増減する電力値および時間値は自由に設定できるものとする。同様に消費電力が少ない場合は、同時に負荷のオンオフ回数も減少するので、同様の方法で運転停止する時間を長くするよう条件設定するようにする。このように運転開始あるいは停止する際の条件を、燃料電池システムの設置場所によって、負荷電力値および時間値を増減させて運転開始停止制御を行うことにより、運転開始停止回数を増加させず削減することができ、燃料電池システムの耐久性への悪影響防止および発電動作を行う前の運転開始停止の繰り返しによる燃料電池システムの予熱等のエネルギーのむだを削減することができる。
【0021】
また図2おいて、記憶手段10にて燃料電池システムの運転の開始停止データを記憶し、そのデータに基づいて、その設置場所での季節の変化に応じて、運転開始・停止制御を行う構成としている。1年中で春夏秋冬の季節の変化により電力消費パターンが異なり、特に夏場では冷房運転により、冬場では暖房運転により、消費電力が多くなったり、負荷のオンオフの回数の増加による負荷電力の変動も大きくなる。ここで、1年間毎の季節間のデータを前記記憶手段10にて記憶し、夏や冬などの電力消費が大きくなる場合に、燃料電池システムの運転時間を長くするような条件設定とする。つまり運転開始時には、負荷電力が例えば「最大発電電力の30%以上」の「30%」を「10%」減少させる。つまり最大発電電力が1000Wの場合、負荷電力が「300W以上」を「200W以上」という条件に変える。また一定時間値を例えば「30分間中の80%以上」の「24分以上」を「3分」減少させる。つまり「30分間中の21分以上」になってから運転を開始するという条件に変える。また運転停止時には、負荷電力が例えば「最大発電電力の1/8以下」の「1/8(12.5%)」を「2.5%」減少させる。つまり最大発電電力が1000Wの場合、負荷電力が「125W以下」を「100W以下」という条件に変える。また一定時間値を例えば「1時間中の80%以上」を「3分」増加させ、「1時間中の51分以上」になってから運転を停止するという条件に変える。但しここでの増減する電力値および時間値は自由に設定できるものとする。このように運転開始あるいは停止する際の条件を、年間の季節の変化によって、負荷電力値および時間値を増減させて運転開始停止制御を行うことにより、運転開始停止回数を増加させず削減することができ、燃料電池システムの耐久性への悪影響防止および発電動作を行う前の運転開始停止の繰り返しによるエネルギーのむだを削減することができる。
【0022】
また図3において、電話回線等の通信手段11を設け、前記制御器7は、前記通信手段11により、運転開始停止データを通信してホストコンピュータにデータを蓄積させ集中管理し、各燃料電池システムに反映させることにより、運転開始・停止制御を行う構成としている。例えばガス会社のホストコンピュータに運転開始停止データを蓄積して、各設置場所毎の種々のパターンデータを解析することにより、電力消費が比較的大きい場合には、一元的に運転時間を長くするような条件設定にする。つまり運転開始時には、負荷電力が例えば「最大発電電力の30%以上」の「30%」を「10%」減少させる。つまり最大発電電力が1000Wの場合、負荷電力が「300W以上」を「200W以上」という条件に変える。また一定時間値を例えば「30分間中の80%以上」の「24分以上」を「3分」減少させる。つまり「30分間中の21分以上」になってから運転を開始するという条件に変える。また運転停止時には、負荷電力が例えば「最大発電電力の1/8以下」の「1/8(12.5%)」を「2.5%」減少させる。つまり最大発電電力が1000Wの場合、負荷電力が「125W以下」を「100W以下」という条件に変える。また一定時間値を例えば「1時間中の80%以上」を「3分」増加させ、「1時間中の51分以上」になってから運転を停止するという条件に変える。但しここでの増減する電力値および時間値は自由に設定できるものとする。また逆に消費電力が比較的小さい場合には、同様の方法で運転停止する時間を長くするよう条件設定するようにする。このように各設置場所での運転開始停止データを通信手段により、ホストコンピュータに蓄積して、集中管理し、種々のパターンデータを解析することにより、負荷電力値および時間値を増減させて、一元的に最適な運転開始停止制御を行うことにより、運転開始停止回数を増加させず削減することができ、燃料電池システムの耐久性への悪影響防止および発電動作を行う前の運転開始停止の繰り返しによる燃料電池システムの予熱等のエネルギーのむだを削減することができる。
【0023】
また図2において、1日のうちで総運転開始停止回数に上限を設け、上限を超えて運転開始・停止した場合、前記制御器7は、運転開始しないようにする構成としている。1日のうちの総運転開始停止回数の上限を通常運転では達しない程度での、通常の2倍程度に予め設定し、1日の総運転開始停止回数が予め設定された上限を超えて運転開始停止した場合に、何らかの異常が発生したと考えられる。ここで、この異常発生した場合の一つの例として、負荷電力検知手段8を含む、電力負荷系統に異常が生じた場合、前記制御器7は運転を開始しないようにする。これにより、燃料電池システムの異常運転、電力負荷系統の異常運転を防止し、一時的なエネルギーのむだも削減することができる。
【0024】
また図2において、1日のうちで総運転開始停止回数に上限を設け、上限を超えて運転開始停止した場合、前記制御器7は、異常を報知する構成としている。1日の総運転開始停止回数が予め設定された上限を超えて運転開始停止した場合に、何らかの異常が発生したと考えられるが、この異常発生した場合の一つの例として、負荷電力検知手段8を含む、電力負荷系統に異常が生じた場合、その旨を知らせる異常報知をすることにより、使用者に燃料電池システムの停止・異常を報知するとともに電力負荷系統の点検、すなわち電化製品の異常や配電設備の異常を点検するよう使用者に知らせることができる。
【0025】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、燃料電池システムを運転開始あるいは停止する際の条件を、運転開始停止頻度によって電力条件値を増減させて運転開始から停止、停止から開始する間隔を広くすることにより、運転開始停止回数を増加させず削減することができ、燃料電池システムの耐久性への悪影響防止および発電動作を行う前の運転開始停止の繰り返しによる燃料電池システムの予熱等のエネルギーのむだを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1における燃料電池システムの制御装置のブロック図
【図2】本発明の実施例2における燃料電池システムの制御装置のブロック図
【図3】本発明の実施例3における燃料電池システムの制御装置のブロック図
【図4】従来の燃料電池システムの制御装置のブロック図
【符号の説明】
1 水素生成器
4 燃料電池
7 制御器
8 負荷電力検知手段
9 運転開始停止頻度検知手段
10 記憶手段
11 通信手段
Claims (8)
- 炭化水素系原料燃料と水から水素に富んだガスを生成する水素生成器と、前記水素生成器で得られた生成ガスと酸化剤ガスとを反応させて発電を行う燃料電池と、運転開始・停止および運転開始から発電までの一連の動作を制御する制御器と、運転開始・停止する間隔および回数を計測する運転開始停止頻度検知手段と、負荷電力を検知する負荷電力検知手段を備え、前記負荷電力検知手段により負荷電力が、一定電力値以上となるのが一定時間以上になった場合に前記制御器により運転を開始する条件とし、一定電力値以下となるのが一定時間以上になった場合に前記制御器により運転を停止する条件において、前記運転開始停止頻度検知手段の検知頻度により、前記条件中の一定電力値を自由に変えて運転開始・停止制御を行うことを特徴とする燃料電池システムの制御装置。
- 前記制御器は、前記運転開始停止頻度検知手段の検知頻度により、前記条件中の一定時間値を自由に変えて運転開始・停止制御を行うことを特徴とする請求項1記載の燃料電池システムの制御装置。
- 前記制御器は、運転する時間帯により、前記条件中の一定電力値・一定時間値を自由に変えて運転開始・停止制御を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池システムの制御装置。
- 運転の開始停止データを記憶する記憶手段を設け、前記制御器は、燃料電池システム設置後の最初の運転開始から一定期間の運転開始停止データを前記記憶手段に記憶し、そのデータに基づいて設置場所特有の電力消費パターンに応じて、前記条件中の一定電力値・一定時間値を自由に変えて運転開始・停止制御を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の燃料電池システムの制御装置。
- 運転の開始停止データを記憶する記憶手段を設け、前記制御器は、1年間毎の運転開始停止データを前記記憶手段に記憶し、そのデータに基づいてその設置場所での季節の変化に応じて、前記条件中の一定電力値・一定時間値を自由に変えて運転開始・停止制御を行うことを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池システムの制御装置。
- 電話回線等の通信手段を設け、前記制御器は、前記通信手段により、運転開始停止データを通信してホストコンピュータにデータを蓄積させ集中管理し、各燃料電池システムに反映させることにより、前記条件中の一定電力値・一定時間値を自由に変えて運転開始・停止制御を行うことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の燃料電池システムの制御装置。
- 1日のうちで総運転開始停止回数に上限を設け、上限を超えて運転開始停止した場合、前記制御器は、運転開始しないようにすることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の燃料電池システムの制御装置。
- 1日のうちで総運転開始停止回数に上限を設け、上限を超えて運転開始停止した場合、前記制御器は、運転停止の一定期間中に異常報知することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料電池システムの制御装置。
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